Quelle: ESA / Science & Exploration / Human and Robotic Exploration, 9. März 2026

Eine Reise durch den Weltraum zu unternehmen, wenn die Wahrscheinlichkeit von Sonnenstürmen und Sonneneruptionen am höchsten ist, erscheint zunächst widersinnig, doch neue Forschungsergebnisse zeigen, dass eine solche Reise gerade dann sicherer ist, wenn die Sonne am aktivsten ist. Die erhöhte Sonnenaktivität fegt die energiereiche Weltraumstrahlung aus unserem Sonnensystem hinaus. Eine bemannte Marsmission während des nächsten Höhepunkts des Sonnenzyklus könnte die Belastung durch schädliche Strahlung im Vergleich zu einer Reise während eines Sonnenminimums möglicherweise um die Hälfte reduzieren.

Strahlungsmessungen des ExoMars Trace Gas Orbiter (TGO) der ESA bestätigen die paradoxe Erkenntnis, dass Reisen während des Sonnenmaximums der beste Zeitpunkt dafür sind. Ein internationales Forschungsteam kam zu dem Schluss, dass eine Besatzung die Hin- und Rückreise ohne Überschreitung der Strahlungsrichtlinien absolvieren könnte. Außerdem lieferten sie Schätzungen zu den Strahlungsdosen, denen eine Besatzung bei verschiedenen Missionsszenarien ausgesetzt wäre.

Strahlungsdosen für Astronauten
Eine der größten Herausforderungen bei der Entsendung von Menschen zum Mars ist ihre Exposition gegenüber Weltraumstrahlung. Ionisierende Strahlung birgt ernsthafte Gesundheitsrisiken, darunter ein erhöhtes Krebsrisiko, Herz-Kreislauf-Erkrankungen und Katarakte. Außerhalb des schützenden Magnetfelds der Erde könnte ein Astronaut auf einer Marsmission Strahlungsdosen ausgesetzt sein, die um ein Vielfaches höher sind als auf unserem Planeten. Die Strahlungsgrenze der ESA für die gesamte Laufbahn eines Astronauten liegt bei 1000 Millisievert, der Einheit für die effektive Dosis, die zu Schäden am menschlichen Gewebe führen kann. Höhere Dosen über kurze Zeiträume stellen akute Risiken dar, während niedrigere Dosen hauptsächlich zu langfristigen Gesundheitsrisiken beitragen.

Frühere Studien haben bereits gezeigt, dass eine Marsmission während eines Sonnenminimums die Strahlungsdosis durch galaktische kosmische Strahlung gefährlich nahe an die ESA-Grenzwerte heranbringen würde. Die neue Analyse erweitert den Umfang anhand von Daten des Liulin-MO-Dosimeters an Bord des TGO und des Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER) an Bord des Lunar Reconnaissance Orbiter über einen Zeitraum von 15 Jahren.

Kein Ort, an dem man sich verstecken kann
Auf dem Weg zum Mond und zum Mars sind Astronauten zwei Hauptquellen kosmischer Strahlung ausgesetzt: galaktischer kosmischer Strahlung und energiereichen Teilchen aus dem Sonnenwind. Erstere entsteht durch energiereiche Ereignisse außerhalb unseres Sonnensystems, wie beispielsweise Supernovae, letztere durch starke Sonneneruptionen. Während solaren energetischen Partikelströmen können sich Astronauten in ihrem Raumschiff in Sicherheit bringen. Diese Stürme sind unvorhersehbar, aber bei ausreichender Vorwarnung und Abschirmung können sich die Besatzungen in „Sturmschutzräume“ zurückziehen – Bereiche mit zusätzlicher Abschirmung. Auf der Internationalen Raumstation suchen Astronauten Zuflucht in den Schlafräumen oder in der Küche.

Es gibt jedoch keinen Ort, an dem man sich vor dem ständigen Beschuss durch galaktische kosmische Strahlung verstecken kann. Diese Teilchen bewegen sich mit nahezu Lichtgeschwindigkeit und durchdringen sowohl die Abschirmung von Raumfahrzeugen als auch den menschlichen Körper. Wenn sie gestoppt werden, lösen kosmische Strahlen oft Schauer von Sekundärteilchen aus, die für den Menschen noch schädlicher sein können. Auf der Marsoberfläche wären Astronauten einer um bis zu 60 % geringeren Strahlenbelastung ausgesetzt als während der interplanetaren Reise. Höhlen und Lavaröhren könnten gute Lebensräume sein, um die Strahlenbelastung zu reduzieren.

Beste Reise zum Mars
Die Studie berechnete die Strahlungsdosis für simulierte Marsmissionen unter verschiedenen Sonnenaktivitätsniveaus und für drei Flugbahnen: die energieeffizienteste, aber längste Route, die energieintensivste, aber kürzeste Route und einen Kompromiss zwischen beiden.

Bei allen drei Arten nimmt die kumulative Strahlungsdosis durch kosmische Strahlung in der Nähe des Sonnenmaximums deutlich ab. Eine unruhige Sonne scheint der einzige Trost gegen galaktische kosmische Strahlung zu sein.

Das Team analysierte die Transferbahnen zum Mars in den letzten 60 Jahren und simulierte mit einem mehrschichtigen Wasserball, wie viel Strahlung die Organe im menschlichen Körper absorbieren würden. Schnellere Transferbahnen könnten die Strahlenbelastung um 55 % reduzieren, wenn sie während des Sonnenmaximums statt während des Sonnenminimums zurückgelegt würden, während Missionen mit treibstoffsparenden Flugbahnen eine Reduzierung von bis zu 45 % erzielen könnten.

„Um die Strahlungsgrenzwerte für die gesamte Berufslaufbahn einzuhalten, sollten Missionsplaner bestimmte Transferbahnen und Startfenster sorgfältig auswählen“, sagt Robert Wimmer-Schweingruber, Mitautor von der Universität Kiel, Deutschland.

Der Schutz der Astronauten bei ihren Vorstößen in den Weltraum hat für die ESA höchste Priorität. „Diese Studie hilft uns, die Schwankungen des Sonnenzyklus in klare Ziele für Missionsbahnen und Risikominderung umzuwandeln. Wir können quantifizieren, wie viel wir durch die Wahl eines bestimmten Startfensters und schnellerer Flugbahnen gewinnen können und wann wir noch bessere Abschirmungs- und Betriebskonzepte benötigen, um Marsmissionen wirklich sicherer zu machen“, sagt Anna Fogtman, Leiterin des Strahlenschutzes bei der ESA.

Artikel veröffentlicht in Space Weather am 9. März 2026, „The constraint of crewed Mars missions based on current radiation dose measurements” (Die Einschränkungen bemannter Marsmissionen auf Grundlage aktueller Strahlungsdosismessungen) von Chao Zhang und Forschern der Universität für Wissenschaft und Technologie China, der Universität Kiel in Deutschland und der Universität Michigan, USA.

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• Marsflug, Marsbasis

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Quelle: NASA, 16. Juni 2025.

16. Juni 2025 – Paris – Mit dieser Vereinbarung wird das DLR sein Know-how im Bereich der bemannten Raumfahrt nutzen und im Rahmen der Artemis-II-Mission der NASA neue Strahlungssensoren an Bord des Raumschiffs Orion bereitstellen, wobei es auf früheren Arbeiten in diesem Bereich während der Artemis-I-Mission aufbauen wird. Artemis II soll spätestens im April 2026 starten und wird der erste Testflug mit Besatzung im Rahmen von Artemis sein.
„Im Einklang mit den historischen Vereinbarungen, die die NASA im Rahmen von Artemis mit internationalen Partnern geschlossen hat, freue ich mich, heute eine neue gemeinsame Vereinbarung zwischen der NASA und dem DLR zu unterzeichnen, um die Strahlenforschung an Bord von Artemis II zu ermöglichen“, sagte die amtierende NASA-Administratorin Janet Petro. „Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt ist ein wertvoller Partner im Rahmen von Artemis. Es hat bereits zuvor mit der NASA zusammengearbeitet, um Technologien zu testen, die für unser Verständnis der Strahlenbelastung von Menschen an Bord eines Orion-Raumschiffs im Rahmen von Artemis I von entscheidender Bedeutung sind, und stellt im Rahmen von Artemis II einen CubeSat zur Verfügung. Nach einem produktiven Treffen zwischen Präsident Trump und Bundeskanzler Merz Anfang dieses Monats freue ich mich darauf, unsere großartige Partnerschaft mit Deutschland weiter auszubauen.“
Während der geplanten 10-tägigen Reise der Artemis II-Mission um den Mond und zurück werden vier der neu entwickelten M-42 Extended (M-42 EXT) Strahlungsdetektoren des DLR an Bord sein und wichtige Daten zur Sicherheit der Astronauten liefern. Dieses Gerät der nächsten Generation steht für eine neue Phase der Forschung, in der die NASA und das DLR weiterhin zusammenarbeiten, um die Gesundheit der Menschen im Weltraum zu schützen.
Unter der Führung von Präsident Trump hat die amerikanische Artemis-Kampagne die Ambitionen der NASA neu entfacht und internationale Zusammenarbeit und bahnbrechende Innovationen angestoßen. Die fortgesetzte Partnerschaft mit dem DLR und der Einsatz seiner fortschrittlichen M-42 EXT-Strahlungsdetektoren an Bord von Artemis II sind Beispiele dafür, wie die Trump-Vance-Regierung eine goldene Ära der Erforschung und Innovation anführt, die amerikanische Astronaut*innen auf den Weg zum Mond, zum Mars und darüber hinaus bringt.
„Um wirksame Schutzmaßnahmen gegen die Auswirkungen der Weltraumstrahlung auf den menschlichen Körper zu entwickeln, sind umfassende und kohärente Strahlungsmessungen im Weltraum unerlässlich“, sagt Anke Pagels-Kerp, Bereichsvorstand für Raumfahrt beim DLR. „Ende 2022 beförderte Artemis I 12.000 passive und 16 aktive Detektoren in den Mannequins Helga und Zohar, die im Rahmen des MARE-Projekts des DLR an Bord des Raumschiffs Orion flogen. Diese lieferten wertvolle Daten – die ersten kontinuierlichen Strahlungsmessungen, die jemals außerhalb der niedrigen Erdumlaufbahn aufgezeichnet wurden. Wir freuen uns nun darauf, gemeinsam mit der NASA den nächsten Schritt zu gehen und unsere verbesserten Strahlungsdetektoren auf der Artemis-II-Mission um den Mond zu schicken.“
Im Rahmen der Artemis-Kampagne wird die Behörde gemeinsam mit unseren kommerziellen und internationalen Partnern eine langfristige Präsenz auf dem Mond für wissenschaftliche Erkundungen aufbauen, lernen, wie man fernab der Heimat lebt und arbeitet, und sich auf die zukünftige Erforschung des Mars durch den Menschen vorbereiten.

Weitere Informationen zu Artemis finden Sie unter: https://www.nasa.gov/humans-in-space/artemis/

Übersetzung: DeepL.com / Stefan Goth

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• Artemis II – Orion auf SLS

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Am 9. Oktober 2022 registrieren Weltraumteleskope ein gewaltiges Ereignis tief im Kosmos: einen Gammablitz im Sternbild Pfeil, bei dem so viel hochenergetische Gammastrahlung abgegeben wird wie nie zuvor beobachtet. Dieses Ereignis war nicht nur von astronomischem Interesse, denn die ankommende Strahlung ließ kurzzeitig sogar geladene Teilchen in den obersten Schichten der Erdatmosphäre verrückt spielen. Störsignale im Radiobereich waren die Folge – und das trotz einer Entfernung von 2,4 Milliarden Lichtjahren.

Karl erzählt in dieser Folge, ob solche Ereignisse in größerer Nähe zu unserem Planetensystem das Leben auf der Erde beeinträchtigen könnten. Es geht wieder mal um Massensterben in der geologischen Geschichte – und wie neue Methoden aus Physik und Astrophysik helfen können, diese erdgeschichtlichen Kriminalfälle aufzuklären. Denn zurzeit machen solche Verfahren große Fortschritte. Die Asche vor langer Zeit explodierter Sterne wurde bereits in alten Sedimentschichten gefunden – und in einem Fall sogar einer Sternenleiche zugeordnet.

Im AstroGeo Podcast erzählen sich die Wissenschaftsjournalisten Franziska Konitzer und Karl Urban regelmäßig eine Geschichte, die ihnen entweder die Steine unseres kosmischen Vorgartens eingeflüstert – oder die sie in den Tiefen und Untiefen des Universums aufgestöbert haben. Der Podcast ist auch auf iTunes oder Spotify zu finden.

Frühere Ausgaben des AstroGeo Podcast gibt es auf astrogeo.de. AstroGeo ist ein Podcast der Riffreporter eG. Er ist frei verfügbar und entsteht durch die finanzielle Unterstützung seiner Hörerinnen und Hörer. Das geht mit einem monatlichen Abonnement oder einer Spende. Diese und jede andere Form der finanziellen Unterstützung hilft dabei, dass der Podcast weiter werbefrei bleibt.

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• AstroGeo Podcast
• Gamma Ray Bursts (GRBs)
• Supernovae
• Planet Erde

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Quelle: DLR 18. September 2024.

18. September 2024 – Weltraumstrahlung birgt Gesundheitsrisiken für den menschlichen Körper bei astronautischen Langzeitmissionen. Sie kann Krebs und degenerative Erkrankungen verschiedener Organe verursachen. Um Astronautinnen und Astronauten bei zukünftig immer längeren Weltraumaufenthalten bestmöglich zu schützen, gilt es, geeignete Schutzmaßnahmen zu finden. Dafür sind detaillierte Messdaten über die Strahlungsbelastung beim Raumflug außerhalb des Erdmagnetfelds nötig. Ende 2022 starteten mit dem NASA-Raumschiff Orion die beiden Messpuppen Helga und Zohar im Rahmen des vom Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) geleiteten Projekts MARE. Bei der Artemis-I-Mission flogen sie auf einer über 25-tägigen Reise zum Mond und wieder zurück. Dabei wurden zum ersten Mal kontinuierlich Messdaten zu den Strahlungswerten zwischen der Erde und ihrem fast eine halbe Million Kilometer entfernten Trabanten gewonnen. Im wissenschaftlichen Fachmagazin NATURE veröffentlichte das Forschungsteam von DLR, ESA und NASA nun erste Ergebnisse.

Dr. Thomas Berger, Strahlenphysiker vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln und Leiter des Experiments MARE erklärt: „Für uns gab es zwei Hauptziele bei der Artemis-I-Mission: Wir wollten erstmals einen umfassenden und zusammenhängenden Datensatz zu den Strahlungsverhältnissen bei einem Mondflug erheben, wozu aktuell noch die Auswertungen laufen. Und gemeinsam mit NASA und ESA ging es uns darum, die Strahlungsunterschiede innerhalb des Orion-Raumschiffes zu charakterisieren, wozu nun die Ergebnisse vorliegen. Im Vorfeld hatten wir dafür eine sehr große Anzahl von Strahlungsdetektoren, sogenannte Dosimeter, an verschiedenen festen Positionen innerhalb des Raumschiffs sowie in unseren beiden lebensgroßen MARE-Messphantomen Helga und Zohar platziert.“ Das Experiment MARE ist ein gemeinsames Projekt des DLR, der israelischen Firma StemRad, NASA, Lockheed Martin und der israelischen Weltraumagentur ISA.

Deutliche Strahlungsunterschiede innerhalb des Orion-Raumschiffs
Die nun in NATURE veröffentlichten Messergebnisse zeigen: Während des Durchflugs durch den Protonengürtel der Erde, den sogenannten inneren Van Allen Gürtel, unterschied sich die Strahlungsdosis innerhalb des Raumschiffs je nach Ort des Detektors sehr deutlich: Die Dosisraten zwischen den am besten und am wenigsten geschützten Bereichen innerhalb der Raumkapsel unterschieden sich um das Vierfache. Diese enormen Unterschiede bestätigen das Design und Abschirmungskonzept der Raumkapsel. Im stärker abgeschirmten Bereich der Kapsel (Storm Shelter) kann die auf die Besatzung wirkende Gesamtdosis bei großen solaren Teilchenereignissen auf maximal 150 Millisievert beschränkt werden. Bei dieser Dosis sind keine Symptome einer akuten Strahlenkrankheit zu erwarten.

Eignung der Orion-Kapsel für astronautische Raumflüge
Die Daten zeigen zudem, dass die Ausrichtung des Raumschiffs während des Protonengürteldurchflugs eine signifikante Auswirkung auf die Strahlungswerte innerhalb der Kapsel hatte: Zum Ende des Durchflugs durch den inneren Protonengürtel führte Orion eine 90-Grad-Drehung durch, die zu einer unerwartet starken Reduzierung der Strahlungsdosis um 50 Prozent führte. „Dies zeigt uns, dass sich mit diesem Flugmanöver, die Strahlenbelastung für die Besatzung im Inneren des Raumschiffs deutlich reduzieren lässt. Auch das ist ein gutes Zeichen und bestätigt die grundsätzliche Eignung der Orion für zukünftige Raumflüge mit Astronautinnen und Astronauten. Und unsere Messdaten sind eine wertvolle Informationsgrundlage für die Gestaltung zukünftiger Missionen“, verdeutlicht DLR-Strahlenphysiker Berger.

Nicht zuletzt zeigt die nun veröffentlichte Studie, dass die moderne Computersimulation von Strahlungsumgebungen verbessert wurde, da die experimentellen Messdaten weitgehend mit den vorhergesagten Modellrechnungen übereinstimmen. Auch diese sind ein wichtiger Faktor für eine zeit- und kosteneffiziente Weiterentwicklung des Orion-Konzepts.

Insgesamt stellt das Wissenschaftsteam in der NATURE-Veröffentlichung fest, dass die Strahlenexposition für zukünftige Artemis-Missionen, die ja nur einige Tage bis Wochen dauern werden, wahrscheinlich nicht die aktuellen NASA-Grenzwerte für Astronautinnen und Astronauten überschreiten, vorausgesetzt, dass ähnliche Missionsbedingungen eingehalten werden. Das Strahlungsrisiko bleibt jedoch eine der zentralen Herausforderung für die astronautische Weltraumfahrt.

Gemeinsam mit NASA und ESA: Strahlungsmessungen für den effektiven Schutz künftiger ORION-Besatzungen
Artemis I war die erste in einer Reihe von Missionen des Artemis-Programms der NASA. Es sieht vor, nach mehr als 50 Jahren wieder Menschen auf unserem Trabanten zu landen, dort gemeinsam mit internationalen Partnern eine dauerhafte Basis zu errichten und eine Raumstation in der Mondumlaufbahn zu bauen, von der aus Menschen zu weiter entfernten Zielen, einschließlich des Mars, aufbrechen sollen. Am 16. November 2022 startete die NASA-Mission Artemis I zur Umrundung des Erdmonds vom Kennedy Space Center in Florida. Bei dieser noch unbemannten Mission wurden alle neu entwickelten Systeme im Zusammenspiel getestet – das Orion-Raumschiff, das Europäische Servicemodul (ESM), die Schwerlastrakete SLS (Space Launch System) und die Bodensysteme.

Die NASA stattete das Raumschiff Orion mit ihrem Strahlungsmessgerät und Warnsystem „Hybrid Electronic Radiation Assessor“, kurz HERA, aus. HERA besteht aus drei Strahlungssensoren, die in unterschiedlich gut gegen Strahlung abgeschirmten Bereichen von Orion eingebaut wurden. Es ist so konzipiert, dass es einen Alarm auslöst, wenn die Besatzung bei einem energiereichen Strahlungsereignis, zum Beispiel einer Sonneneruption, Schutz suchen soll. In diesem Fall würde sich die Crew in einen besser gegen die Strahlung abgeschirmten Teil von Orion begeben, und zwar würden sie die Bodenklappen öffnen und dann Abschirmmaterial als zusätzlichen Schutz über Ihren Köpfen installieren.

Die ESA stellte zudem fünf mobile Dosimeter – die EAD-MUs (ESA Active Dosimeter – Mobile Units) – an verschiedenen Stellen der Raumkapsel zur Messung der Strahlung bereit. Ein Vorläufersystem der Mobile Units kam schon von 2016 – 2017 auf der Internationalen Raumstation ISS zum Einsatz. Die Mond-Umrundung der Artemis-I-Mission ermöglichte es, die Strahlungsumgebung im tiefen Weltraum so vollständig wie möglich abzubilden. Die neuen Werte werden nun mit den ISS-Messungen verglichen – und so die Sicherheit der nachfolgenden Artemis-Missionen mit Besatzung bewertet. Später soll eine weiter entwickelte Version des EAD-MU-Systems an Bord des sogenannten Lunar Gateway – einer geplanten Raumstation in der Mondumlaufbahn – zum Einsatz kommen.

Die in der Orion-Kapsel verteilten Dosimeter der ESA wurden vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln gemeinsam mit ASRO, Finnland, konzipiert, getestet und gebaut. Die aktiven DLR-Messgeräte M-42 und passiven Sensoren in Helga und Zohar wurden vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln entwickelt und angefertigt.

„Die Detektoren messen unterschiedliche Strahlungsarten, sodass wir mit den Werten Rückschlüsse auf ihre biologischen Auswirkungen ziehen können.“, sagt Thomas Berger. Die beiden Messphantome im MARE-Projekt wurden dazu eigens der weiblichen Anatomie nachempfunden, um die besonderen Belastungen für Frauen bei Langzeitaufenthalten im Weltraum zu untersuchen.

Die jetzige Veröffentlichung von Ergebnissen in NATURE ist die erste einer ganzen Reihe. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler von DLR, NASA und ESA analysieren den reichhaltigen Datenschatz an Strahlungsmesswerten des Orionflugs noch weiter. Momentan arbeiten Dr. Thomas Berger und sein Team des DLR-Projekts MARE am Vergleich der Strahlungsbelastung von Helga, die Messpuppe, die ohne Schutz flog, und Zohar, die bei der Mondumrundung die Strahlenschutzweste AstroRad trug.

Die Messung von Weltraumstrahlung – vom „Flickenteppich“ zum homogenen Datensatz
Weltraumstrahlung stammt aus verschiedenen Quellen wie solaren Teilchenereignissen, galaktischen kosmischen Strahlen oder den beiden, die Erde umspannenden und sehr strahlungsintensiven Van-Allen-Gürteln. Frühere Strahlungsdaten stammen hauptsächlich von der Internationalen Raumstation ISS und aus den Space-Shuttle-Missionen – und damit aus relativ erdnahen Höhen, die noch deutlich durch das Magnetfeld der Erde geschützt sind. Daten aus den Tiefen des interplanetaren Raums wurden bei verschiedenen unbemannten Missionen gewonnen, in denen Sonden durch das Sonnensystem (z.B. zum Mars) gereist sind. Und begrenzt gibt es Daten von den Apollo-Missionen zum Mond.

Kontinuierliche Strahlungsmessungen mit einer hohen räumlichen Auflösung gab es bislang nicht und wurden erstmals während der Artemis-I-Mission zwischen Erde und Mond durchgeführt.

Über das DLR-Experiment MARE
Das DLR leitet das Experiment MARE (Matroshka AstroRad Radiation Experiment). Hauptprojektpartner sind die israelische Raumfahrtagentur ISA, der israelische Industriepartner StemRad, der die AstroRad-Schutzweste entwickelt hat, sowie Lockheed Martin und die NASA. MARE stellt in seiner Komplexität und in seiner internationalen Zusammenarbeit mit zahlreichen Universitäten und Forschungseinrichtungen aus Europa, Japan und den USA das größte Experiment zur Bestimmung der Strahlenbelastung für Astronautinnen und Astronauten dar, das jemals den erdnahen Orbit verlassen hat. Die während Artemis I durchgeführten Messungen werden wertvolle Daten zur Risikobewertung und -minderung für künftige Langzeitmissionen liefern, um eine für den Menschen sichere Erforschung des Weltraums zu ermöglichen.

Publikation
Space radiation measurements during the Artemis I lunar mission
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07927-7
pdf: https://www.nature.com/articles/s41586-024-07927-7.pdf

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• Bemannte Raumfahrt und Gesundheit

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Quelle: DLR 18. September 2024.

18. September 2024 – Die Menschheit bereitet sich auf die Rückkehr zum Mond vor. Mit Artemis II, geplant ab September 2025, wird der erste astronautische Flug der Artemis-Mission sein. Die NASA-Astronautinnen und Astronauten Reid Wiseman, Victor Glover, Christina Koch und der Astronaut der kanadischen Weltraumbehörde CSA/ASC Jeremy Hansen werden in ihrem Orion-Raumschiff den Mond mehrmals umkreisen, um die Technologie und Techniken zu testen, die für eine erneute Landung auf dem Mond mit Artemis III 2026 erforderlich sind. Artemis II wird zudem Grundlagenforschung über den Mond und seine Umgebung mithilfe von Kleinsatelliten durchführen. Mit an Bord von Artemis II wird ein deutscher Kleinsatellit sein, der von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft und Raumfahrt (DLR) ausgewählt wurde. Am 18. September 2024 hat die amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA die entsprechende Vereinbarung mit der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR unterzeichnet.

„Deutschland leistet schon jetzt einen zentralen Beitrag zu Artemis – und damit zur Rückkehr der Menschheit zum Mond. Wir freuen uns sehr, die Möglichkeit eines Mitfluges auf Artemis II an ein deutsches Start-up weitergeben zu können. Das stärkt den Raumfahrtstandort Deutschland nachhaltig. Die Zusammenarbeit mit internationalen Raumfahrtagenturen bietet eine Fülle von neuen Möglichkeiten für die Industrie und die wissenschaftliche Forschung in Deutschland, Europa und der ganzen Welt“, sagt Dr. Walther Pelzer, DLR-Vorstand und Generaldirektor der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR.

„Wir freuen uns sehr über die Zusammenarbeit mit unseren internationalen Partnern im Artemis-Programm“, sagt Catherine Koerner, Administratorin des Exploration Systems Development Mission Directorate des NASA-Hauptquartiers in Washington. „Gemeinsam erweitern wir unser Verständnis von Wissenschaft und Technologie.“

Deutsche Technik für die Erforschung des Mondes
Auf dem Flug der Artemis II-Mission wird ein deutscher Kleinsatellit, ein sogenannter CubeSat, mit dabei sein: TACHELES der Firma NEUROSPACE GmbH aus Berlin. Ein CubeSat ist ein standardisierter, besonders kleiner Satellit, der ungefähr die Größe eines Schuhkartons hat. NEUROSPACE entwickelt aktuell ein Rover-System auf Basis des CubeSat-Standards, um zukünftig einen kostengünstigen Zugang zur Nutzung der Mondoberfläche zu ermöglichen.

Ziel von TACHELES ist, die elektrischen Komponenten des zukünftigen Rovers auf dem Weg zum Mond zu testen. Insbesondere der Einfluss der Weltraumstrahlung beim Passieren der beiden Strahlungsgürtel der Erde – der sogenannten van-Allen-Gürtel – wird als besonders kritisch für solche Systeme eingestuft. Der Flug auf Artemis II bietet die einmalige Möglichkeit, Daten über die Strahlungsgürtel und deren Auswirkung auf die Elektronik des CubeSats zu sammeln. Sie sollen sowohl für die wissenschaftliche Forschung als auch für die technische Weiterentwicklung des Rover-Systems verwertet werden.

Die Rückkehr zum Mond als internationales Projekt
Mit dem Artemis-Programm hat sich die NASA in Zusammenarbeit mit internationalen Raumfahrtagenturen mehrere ambitionierte Ziele gesetzt. Zunächst sollen in naher Zukunft erneut Menschen auf den Mond gebracht werden. Außerdem ist der Bau einer Raumstation in der Mondumlaufbahn geplant, die Mondmissionen ermöglichen wird. Hierdurch wird eine intensive Erforschung unseres Erdtrabanten ermöglicht werden. Außerdem wird diese Infrastruktur langfristig dazu dienen, den ersten astronautischen Flug zum Mars durchzuführen.

Die Artemis-Missionen sind in einzigartiger Weise darauf ausgerichtet, unser Wissen über unseren ständigen Begleiter zu erweitern und eine langfristige menschliche Präsenz auf dem Mond und in seiner Umgebung einzurichten. Dabei konzentriert sich die NASA auf den Flug zum Mond, die Landeplätze rund um den Südpol, die Einrichtung der Gateway-Raumstation im Mondorbit sowie die Verlängerung der astronautischen Expeditionsdauer auf der Mondoberfläche. Um die Anforderungen der Missionen bestmöglich zu erfüllen, bindet die NASA bei der Entwicklung der Artemis-Technologie internationale Partner sowie verstärkt auch die Industrie ein.

Beispielsweise wurde das erste Orion-Raumschiff – zunächst noch ohne Besatzung – zur Vorbereitung von zukünftigen astronautischen Missionen während der Artemis I-Mission von deutscher Technologie angetrieben und auf Kurs in Richtung Mond gebracht. Weitere Orion-Raumkapseln werden in Zukunft ebenfalls durch diese Antriebs- und Versorgungseinheit – das European Service Module (ESM) – zum Ziel gebracht werden. Das ESM ist das Herzstück jedes Orion-Raumschiffs, da es Antrieb, Stromversorgung und Lebenserhaltungssysteme beherbergt. Hergestellt wird das ESM bei Airbus in Bremen.

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• Artemis II – Orion auf SLS

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Quelle: Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU) 17. September 2024.

17. September 2024 – Wie fühlt es sich an, bei einer Mission zur Grenze zwischen Erde und Weltall mitzuarbeiten? „Ziemlich cool“, sagt Hannes Ebeling. „Wir sind schließlich eines von lediglich neun europäischen Teams, die diese Chance bekommen haben. Das hat uns schon riesig gefreut.“

„Wir“ – das ist ein Grüppchen von zehn angehenden Physikerinnen und Physikern der Abteilung für Extraterrestrische Physik der CAU, das sich vor einem Jahr für die Teilnahme am sogenannten BEXUS-Projekt beworben hat. Das Akronym steht für „Balloon Experiments for University Students“, und dieser Name ist Programm: Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die schwedische Raumfahrtbehörde SNSA geben darin Studierenden die Möglichkeit, ein wissenschaftliches Experiment an Bord eines Ballons in die Stratosphäre zu schicken.

Strahlungs-Detektor überzeugte die Jury
„Man reicht dazu zunächst seinen Vorschlag ein und stellt ihn ein paar Wochen später bei einer Konferenz vor“, sagt Ebeling, der das Projekt zusammen mit seiner Kommilitonin Ava Pohley geleitet hat. „Wir wollten einen Detektor bauen, mit dem sich kosmische Strahlung analysieren lässt. Diese entsteht beispielsweise bei der Explosion von Sternen und kann Satelliten oder Raumsonden schädigen; daher ist es wichtig, ihre Intensität und Zusammensetzung zu kennen. Uns ist es gelungen, die Jurorinnen und Juroren von unserem Vorhaben zu überzeugen.“

Doch noch existierte die Idee lediglich auf dem Papier. Die Umsetzung in die Praxis war ziemlich fordernd: In regelmäßigen Abständen musste das Team sogenannte Reviews durchlaufen. Darin stellte es einem Gremium von BEXUS-Expertinnen und -Experten den aktuellen Stand seines Experiments vor. „Dabei kamen dann wie bei einem wirklichen Raumfahrt-Projekt immer wieder Verbesserungsvorschläge, die wir umsetzen mussten“, erklärt Ava Pohley.

Das Ergebnis der vielen hundert Stunden Arbeit sieht auf den ersten Blick unspektakulär aus: eine weiße Kiste, aus der einige Kabel heraushängen. Doch die Box hat es im wahrsten Sinne des Wortes in sich: Sie enthält eine ganze Reihe verschiedener Sensoren. Kernstück ist aber der sogenannte Cherenkov-Detektor. Er besteht aus einem quaderförmigen Aerogel-Block. Das Aerogel ist transparent und besteht zu mehr als 99 % aus Luft. Es ist also unglaublich leicht und fragil.

Aerogel hilft, schwere von leichten Teilchen zu unterscheiden
Die Lichtgeschwindigkeit in diesem schwammartigen Feststoff liegt nicht wie in Vakuum bei 300.000, sondern bei 286.000 Kilometern pro Sekunde. „Wir nutzen diese Eigenschaft aus, um herauszufinden, aus welchen Teilchen die kosmische Strahlung in der Stratosphäre besteht“, sagt Pohley.

Grundlage dafür ist ein Effekt, der bereits 1934 vom russischen Physiker Pavel Cherenkov entdeckt wurde: Wenn geladene Teilchen sich in bestimmten Medien schneller als das Licht fortbewegen, erzeugen sie dabei selbst Licht. Die Vakuum-Lichtgeschwindigkeit lässt sich nicht überschreiten, die in einem Aerogel dagegen schon. „Je leichter ein Teilchen ist, desto weniger Energie benötigt es, um sich darin schneller als mit der dort gültigen Lichtgeschwindigkeit fortzubewegen“, erklärt Hannes Ebeling.

Dieser Zusammenhang lässt sich nutzen, um schwere Teilchen in der kosmischen Strahlung – beispielsweise Protonen oder Helium-Kerne – von den deutlich leichteren Elektronen zu unterscheiden. „Und das ist es, was wir mit unserem Cherenkov-Detektor tun“, sagt der Sprecher der CAU-Gruppe, die ihr Messinstrument auf den Namen „CHAOS“ (Cherenkov Atmospheric Observation System) getauft hat.

Start für Anfang Oktober geplant
Ob sich die ganze Mühe gelohnt hat, wird sich Anfang Oktober im schwedischen Kiruna zeigen. Am 1. Oktober oder den Tagen danach (der genaue Zeitpunkt hängt vom Wetter ab) wird der Cherenkov-Detektor made in Kiel von dort an Bord eines Forschungs-Ballons in die Stratosphäre aufsteigen, zusammen mit den Experimenten von drei anderen Gruppen (die restlichen fünf Experimente werden bei einem zweiten Flug transportiert). Verläuft alles nach Plan, hat der Ballon nach 1,5 Stunden seine Zielhöhe von rund 26 Kilometern erreicht. Die Messungen werden mehrere Stunden dauern. Nach Landung des Ballons werden die Experimente an Bord ausgewertet.

Ein Teil des CAU-Teams reist bereits am 27. September in die nördlichste Stadt Schwedens, um dort alles vorzubereiten. Der Rest kommt am 1. Oktober nach. „Normalerweise werden solche kompakten Cherenkov-Detektoren nicht für die Messung kosmischer Strahlung in der Atmosphäre eingesetzt“, betont Ava Pohley. „Wir wollen demonstrieren, dass sich dieses Messprinzip sehr gut auch für diesen Zweck nutzen lässt.“

Text: Frank Luerweg

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• Raumfahrtbezogene Ausbildung / studentischer Satellitenbau

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Quelle: GFZ 21. August 2024.

21. August 2024 – Im Zeitalter einer schnell wachsenden Flotte von Satelliten im Weltraum ist die genaue Vorhersage von Weltraumwetterphänomenen wie sturmartigen Verstärkungen von elektromagnetischen Feldern und Teilchenströmen unerlässlich, um die Satelliteninfrastruktur vor Schäden und Systemausfällen zu schützen. Ähnlich wie die Genauigkeit von Wettervorhersagen auf der Erde von der genauen Kenntnis der aktuellen atmosphärischen Bedingungen abhängt, erfordert die Vorhersage der Wetterphänomene des erdnahen Weltraums ein tiefes Verständnis des aktuellen Zustands der dynamischen Strahlungsgürtel, die die Erde umgeben. Ein internationales Forschungsteam um Bernhard Haas und Yuri Shprits vom Deutschen GeoForschungsZentrum GFZ hat – in Zusammenarbeit mit dem Sonderforschungsbereich „Data assimilation“ der Universität Potsdam – am Beispiel eines geomagnetischen Sturms gezeigt, wie das in der terrestrischen Wettervorhersage sehr leistungsfähige Prinzip der Datenassimilation hierfür genutzt werden kann. Dabei handelt es sich um ein Verfahren, das aus einer Fülle von punktuellen Echtzeit-Messungen, in diesem Fall per Satellit, mithilfe physikalisch basierter Modelle fortlaufend einen stimmigen Gesamt-Ausgangszustand für die weiteren Prognosen ermittelt. Die Studie ist im Fachmagazin Nature Scientific Reports erschienen.

Hintergrund: Notwendigkeit und Herausforderung bei der Weltraumwettervorhersage
Die Strahlungsgürtel und der Ringstrom, die die Erde im Weltraum umgeben, stellen eine Bedrohung für Satelliten dar: Die dort fliegenden geladenen Teilchen können durch Effekte wie Aufladung oder Oberflächenladung an elektronischen Komponenten vorübergehende Fehlfunktionen oder irreversible Schäden verursachen. Bei geomagnetischen Stürmen, die die Teilchenströme verstärken und „verwirbeln“, steigt diese Gefährdungslage. Eine rechtzeitige Vorhersage solcher Gefahren kann Satellitenbetreibern helfen, ihre wertvollen Anlagen zu schützen.

Um die Teilchenströme um die Erde räumlich und zeitlich möglichst präzise vorhersagen zu können, ist es notwendig, den Ausgangszustand permanent möglichst genau zu kennen. Hierfür stehen aber nur punktuelle Messungen von einigen spezialisierten Satelliten zur Verfügung. Das globale Bild muss daraus mithilfe von Modellen errechnet werden.

Zwar sind in der Modellierung und Beschreibung der Ringströme grundsätzlich Fortschritte zu verzeichnen. So hat eine Mitte 2023 von Forschern des GFZ publizierte Studie einen bislang nicht berücksichtigten Verlustmechanismus von Teilchen im Ringstrom entdeckt, der die Genauigkeit der Weltraumwettervorhersage entscheidend verbessern könnte. Und mit physikalischen Modellen lässt sich die grundlegende Dynamik des Ringstroms in geomagnetisch ruhigen Zeiten bereits gut darstellen.

„Insbesondere bei hochdynamischen Ereignissen wie geomagnetischen Stürmen sind globale Zustandsbeschreibungen in nahezu Echtzeit aber immer noch eine Herausforderung“, sagt Bernhard Haas, Doktorand in der GFZ-Sektion Weltraumphysik und Weltraumwetter und Erstautor der Studie.

Übertragung einer Methode aus der Meteorologie: die Datenassimilation
Daher machten sich Haas und sein Team vom GFZ um Yuri Shprits, Leiter der Sektion und Professor an der Universität Potsdam, zusammen mit weiteren Forschenden des Sonderforschungsbereichs „Data Assimilation“ (SFB 1294) der Universität Potsdam sowie aus den USA und Japan die Vorteile der sogenannten Datenassimilation zunutze. Dieses Verfahren hat sich bereits in der Meteorologie als unverzichtbar erwiesen, wo ebenfalls kleine Unsicherheiten in der Kenntnis des aktuellen Zustands zu erheblichen Fehlern in zukünftigen Vorhersagen führen können.

Als Datenassimilation bezeichnet man das Zusammenführen von Informationen aus Messungen und physikalischen Modellen. Ein zugrundeliegender Algorithmus ist beispielsweise der auch in der vorliegenden Studie verwendete Kalman-Filter. In einer iterativen Schleife wird der zukünftige Zustand auf Basis der jeweils aktuell verfügbaren Messdaten und des zugrundeliegenden physikalischen Modells permanent neu abgeschätzt, inklusive Angabe der dazugehörigen Unsicherheit.

Auch im Bereich der Weltraumwettervorhersage ist die Assimilierung von Echtzeitdaten der Teilchenflüsse, die von Satelliten bereitgestellt werden, ein Schlüssel, um Erkenntnisse über den gegenwärtigen Zustand der Weltraumumgebung zu gewinnen und Analysen nach extremen Ereignissen wie geomagnetischen Stürmen durchzuführen.

Validierung des Ansatzes mit Daten aus einem geomagnetischen Sturm 2017
Während bisherige Bemühungen, mit diesem Ansatz zu arbeiten, aufgrund begrenzter Datenmengen nicht quantitativ validiert werden konnten, boten die Van-Allen-Sonden der US-amerikanischen Raumfahrtbehörde NASA und der Arase-Satellit der japanischen Raumfahrtbehörde JAXA der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine einzigartige Gelegenheit hierfür: Es umkreisten gleich mehrere hochspezialisierte Satelliten gleichzeitig die Erde. Sie konnten während des geomagnetischen Sturms am 7. September 2017 hochpräzise Daten über die Teilchenflüsse liefern. Dabei befanden sich die Van-Allen-Sonden auf der Tagseite der Erde, Arase auf der gegenüberliegenden Nachtseite. Diese Kombination ermöglichte es den Forschenden, die Ergebnisse der Assimilierung von Daten eines Satelliten durch die des anderen zu validieren und die globale Reaktion des Ringstroms während dieses Ereignisses zu untersuchen.

Resümee
„Die Ergebnisse unserer Studie unterstreichen, dass die Datenassimilation bei geomagnetischen Stürmen, bei denen die Vorhersage des dynamischen Systems schwierig ist, zu einem entscheidenden Instrument wird. Dabei reicht die Assimilierung von Messungen eines einzigen Satelliten aus, um die globalen Modellergebnisse erheblich zu verbessern. Das stellt die traditionellen Annahmen in der Meteorologie in Frage, wo oft große Datenmengen für die Assimilierung verwendet werden“, resümiert Bernhard Haas.

Yuri Shprits betont: „Das am GFZ betriebene Ringstrommodell kombiniert alle verfügbaren Daten, auch von anderen Satelliten, mit unserem hochmodernen Modell und liefert so die genaueste Rekonstruktion des aktuellen Zustands der gefährlichen Weltraumumgebung sowie präzise Vorhersagen für die Zukunft. Diese Forschung ebnet den Weg für eine neue Art von Vorhersagen auf der Grundlage von Messungen, die zum Schutz unserer wertvollsten Güter im Weltraum beitragen werden.“

Originalstudie:
Haas, B., Shprits, Y.Y., Wutzig, M. et al. Global validation of data-assimilative electron ring current nowcast for space weather applications. Sci Rep 14, 2327 (2024).
doi.org/10.1038/s41598-024-52187-0
https://www.nature.com/articles/s41598-024-52187-0
pdf: https://www.nature.com/articles/s41598-024-52187-0.pdf

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• Weltraumwetter

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Quelle: DLR 17. Januar 2024.

17. Januar 2024 – Am 17. Januar 2024 soll der schwedische Projekt-Astronaut der Europäischen Weltraumorganisation ESA, Marcus Wandt, an Bord einer Dragon-Kapsel des US-Raumfahrtkonzerns SpaceX vom Raumfahrtbahnhof Cape Canaveral in Florida zu seiner Mission „Muninn“ (deutsch: Rabe) aufbrechen. Es ist das erste Mal, dass ein ESA-Astronaut auf einer kommerziellen Mission des US-Startdienstleisters Axiom gebucht wurde. Während seines 14-tägigen Aufenthaltes soll er 20 Experimente absolvieren und zudem Experimenthardware an Bord der Internationalen Raumstation ISS warten.

Zehn solcher Aktivitäten betreffen auch Experimente mit deutscher Beteiligung. Die Deutsche Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) koordiniert die wissenschaftliche Beteiligung der deutschen Experimente, an denen neben dem DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin, dem DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum und dem DLR-Institut für Robotik und Mechatronik auch noch die Ludwig-Maximilian-Universität in München, die Berliner Charité sowie die Universitäten Gießen, Greifswald und Kiel sowie ACCESS Aachen beteiligt sind.

Die ersten wissenschaftlichen Messungen unmittelbar nach der Landung wird Marcus Wandt – wie alle ESA-Astronauten seit Alexander Gerst im Jahr 2014 – im :envihab des DLR in Köln durchführen. Das :envihab, die moderne Forschungsanlage des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin, befindet sich unmittelbar neben dem Europäischen Astronautenzentrum EAC. Neben wissenschaftlichen Experimenten finden dort auch Wandts medizinische Untersuchungen statt.

CIMON: Wissenschaftspremiere im All
Sprachassistenten unterstützen die Menschen bei ihrer täglichen Arbeit. Ein solches digitales Assistenzsystem hilft auch Marcus Wandt auf der ISS. Als „Crewmitglied“ ist CIMON (Crew Interactive MObile companioN) ein fliegender und smarter Astronautenassistent. Ausgestattet mit Künstlicher Intelligenz (KI), soll er die Astronautinnen und Astronauten im „klassischen“ Sinne der Mensch-Maschine-Interaktion bei ihrer täglichen Arbeit unterstützen und noch effizienteres Arbeiten auf der Raumstation ermöglichen. Nach der erfolgreichen Technologiedemonstration mit Alexander Gerst, Luca Parmitano und Matthias Maurer soll CIMON mit Marcus Wandt zum ersten Mal wissenschaftlich in Betrieb gehen. Mit dieser Forschung auf der ISS soll er auf der Erde Innovationen für Anwendungen im Bereich der robotischen Industrieproduktion, der Bildung sowie der Medizin und Pflege vorantreiben. CIMON wurde als Auftrag der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR an Airbus vergeben und für den Einsatz im europäischen Columbus-Modul auf der ISS entwickelt. Als sprachgesteuerte Künstliche Intelligenz dient die Watson KI-Technologie aus der IBM Cloud. Die menschlichen Aspekte des Assistenzsystems wurden von Wissenschaftlern des Klinikums der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) mitentwickelt und betreut.

Marcus Wandt wird außerdem die Telerobotik-Experimentreihe „Surface Avatar“ unterstützen und von Bord der ISS aus mehrere Roboter auf der Erde kommandieren. Entwickelt werden Technologien zur Mensch-Roboter-Kollaboration, die wesentlich für Erkundungsmissionen zum Mond oder zum Mars sind. Das Projekt wird vom DLR-Institut für Robotik und Mechatronik geleitet und erfolgt in Zusammenarbeit mit der ESA.

Bone Health: Knochengesundheit im Weltraum
Knochenschwund an den unteren Extremitäten ist eine bekannte Folge des Lebens im Weltraum. Er beginnt sehr bald nach dem Verlassen der Erde. Astronautinnen und Astronauten verlieren pro Monat im Weltraum bis zu einem Prozent ihrer Knochenmasse. Dieser Verlust kann das Risiko von Knochenbrüchen und Verletzungen erhöhen. Unter Beteiligung des DLR-Instituts für Luft- und Raumfahrtmedizin wird im Rahmen eines Experiments zur Knochengesundheit („Bone Health“) untersucht, wie sich die Knochendichte von Marcus Wandt nach seinem zweiwöchigen Aufenthalt im Weltraum verändert. Wird der Knochenschwund nach der Mission anhalten oder sich fortsetzen? Wie lange dauert es, bis sich seine Knochen nach der Rückkehr zur Erde wieder vollständig erholt haben? Bone Health könnte diese Fragen beantworten, die generellen Mechanismen des Knochenschwunds aufdecken und damit Patienten auf der Erde helfen, die an Osteoporose und Wirbelsäulenverletzungen leiden. An dem „Bone Health“-Experiment ist auch das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln beteiligt.

Cardio-Deconditioning: Wie geht es dem Herzkreislauf-System der Astronauten vor und nach dem Flug?
Mit dem ESA-Experiment „Cardio-Deconditioning“, das von einem internationalen Team aus Belgien, Deutschland und Italien geleitet wird, sollen die kardiovaskulären Veränderungen bei Astronauten mit Hilfe moderner kardialer Magnetresonanztomographie (MRT) festgestellt werden. Dabei werden vorhandene Daten aus Simulationen der Schwerelosigkeit mit Missionen in einer niedrigen Erdumlaufbahn und künftigen interplanetaren Missionen verglichen und so akute von chronischen Veränderungen unterschieden. Auf der Erde werden die Ergebnisse dieser Studie bei der Nachsorge von bettlägerigen Patienten sowie von Krebspatienten, die mit Strahlentherapie behandelt werden, hilfreich sein. Marcus Wandt ist der erste ESA-Astronaut, an dem dieses Experiment durchgeführt wird. Zum ersten Mal überhaupt weltweit findet bei der Messung mit Marcus Wandt ein Echtzeit-MRT bei einem Astronauten statt.

BRAIN-DTI: Wie passen sich Gehirne an Weltraumbedingungen an?
Aus der Sicht des Gehirns ist das Leben im Weltraum sehr anstrengend. Das Innenohr meldet dem Gehirn, dass der eigene Körper fällt, aber die Augen zeigen, dass sich nichts bewegt. Da sich die Flüssigkeit in den Kopf verlagert, interpretiert das Gehirn diesen zusätzlichen Druck normalerweise als Zeichen dafür, dass er auf dem Kopf steht – aber im Weltraum gibt es kein Oben oder Unten. Die innere Uhr könnte signalisieren, dass sie nach einem Arbeitstag auf der Internationalen Raumstation müde ist, aber Astronauten erleben alle 24 Stunden 16 Sonnenauf- und -untergänge.

Trotz all dieser widersprüchlichen Signale passt sich das Gehirn an, und innerhalb weniger Tage schweben die Astronauten durch ihr Zuhause im Weltraum, als wären sie dort geboren. Aber das Gehirn scheint auch von der Vergangenheit zu profitieren. Erfahrene Astronauten brauchen weniger Zeit, um sich an die Schwerelosigkeit zu gewöhnen als Neulinge, selbst wenn die Missionen Jahre auseinander liegen. Forscher der Universitäten Antwerpen, Lüttich und Leuven in Belgien haben die „Brain-DTI“-Studie entwickelt, an der auch die Ludwig-Maximilians-Universität München beteiligt ist. Sie wollen mehr darüber erfahren, wie sich die Gehirne von Astronauten an die Bedingungen des Weltraums anpassen.

PK-4: Plasmen in Schwerelosigkeit erforschen
Mit dem Plasmakristallexperiment PK-4 lassen sich Prozesse, die eigentlich auf atomarer Ebene ablaufen, für das menschliche Auge sichtbar machen. Plasma ist ein ionisiertes – also ein elektrisch leitendes – Gas. Wenn es zusätzlich Staubteilchen oder andere Mikropartikel enthält, werden diese aufgeladen und es entsteht ein „komplexes Plasma“. In der Schwerelosigkeit können sich die Teilchen frei ausbreiten und geordnete, dreidimensionale Kristallstrukturen bilden. Die Wissenschaftler gewinnen so grundlegende Erkenntnisse, die zu langfristigen Anwendungen in der Weltraumphysik, der Plasmaphysik und -technologie, der Fusionsforschung sowie bei technischen Flüssigkeiten führen sollen.

So werden Fortschritte in der Halbleiter- und Chiptechnologie, in der Entwicklung moderner Antriebe, Ventile und Stoßdämpfer sowie jüngst auch im medizinischen Bereich beim Abtöten multiresistenter Keime bei der Wundbehandlung und der Desinfektion möglich. Die Plasmaexperimente werden im Auftrag der Deutsche Raumfahrtagentur im DLR und der Europäischen Weltrauorganisation ESA durchgeführt. Wissenschaftlich beteiligt sind die Universitäten Gießen und Greifswald. Marcus Wandt wird während seiner Mission auf der ISS gemeinsam mit dem wissenschaftlichen Team auf dem Boden die 19. Experimentkampagne von PK-4 durchführen.

ANITA-2: Prima Klima oder dicke Luft auf der ISS?
In einer abgeschlossenen Umgebung wie im Inneren der Internationalen Raumstation, muss die Luftzusammensetzung überwacht werden, um die Gesundheit der „Bewohner“ sicherzustellen. Die Hauptbestandteile der Kabinenluft wie Sauerstoff, Stickstoff und Kohlendioxid werden bereits durch das Lebenserhaltungssystem der Raumstation überprüft. Das Analysing Interferometer for Ambient Air-2 (ANITA-2) kann jedoch bis zu 33 wichtige chemische Verunreinigungen nahezu in Echtzeit aufspüren. ANITA saugt im Betrieb alle sechs Minuten Umgebungsluft an und untersucht sie mit Hilfe von Infrarotsensoren. Denn jeder Stoff in der Luft kann einem bestimmten Lichtspektrum zugerechnet werden. Nach der Analyse, die nur wenige Minuten dauert, wird neue Luft angesaugt und überprüft. Auf diese Weise erhält man eine detaillierte Aussage darüber, wie sich die Luft in der Station zusammensetzt und wie sie sich über die Zeit verändert. ANITA-2 wurde bei der OHB System AG entwickelt und von dem deutschen ESA-Astronauten Matthias Maurer im Jahr 2021 in Betrieb genommen.

Wartungsarbeiten an Experimenten mit deutscher Beteiligung
Marcus Wandt wird während seiner Mission auch Wartungsarbeiten an Experimenten mit deutscher Beteiligung durchführen. So wird er unter anderem für das Experiment DOSIS 3D MINI die sogenannte DOSIS Main Box neu installieren. Das Experiment soll unser Verständnis der Strahlungsumgebung an Bord der ISS erweitern. Bereits seit 2012 führt das DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin gemeinsam mit internationalen Partnern das Experiment im europäischen Columbus-Modul der ISS durch. Dabei wird dort die Verteilung der Strahlenbelastung mit passiven und aktiven Strahlungsdetektoren bestimmt und eine 3D-Dosiskarte der gesamten ISS erstellt.

Zudem wird Marcus Wandt vorbereitende Kalibrierungen in der Material Science Laboratory (MSL) Anlage vornehmen, damit nach seiner Mission dort weitere Experimentläufe stattfinden können. MSL ist ein Ofen, in dem Erstarrungsversuche mit metallischen Legierungen in Schwerelosigkeit zum technologischen Fortschritt in industriellen Gießprozessen von maßgeschneiderten, nachhaltigen Hightech-Materialien auf der Erde – beispielsweise von neuartigen und leichteren Flugzeugturbinenschaufeln und Batteriegehäusen – beitragen sollen. Dafür werden in unterschiedlichen ISS-Schmelzöfen im Material Science Laboratory (MSL) Proben aufgeschmolzen und wieder erstarrt. Denn unter Schwerelosigkeit gelingt das wegen verminderter Strömungen präziser als im Labor auf der Erde. An diesen Versuchen sind unter anderem das DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, ACCESS Aachen e.V. sowie die Universität Kiel beteiligt. Für seinen Einsatz wurde Markus Wandt vorab an der Bodenanlage MSL EM (Engineering Model) im Institut für Materialphysik im Weltraum durch das MSL Operations Team des DLR- MUSC trainiert.

Gute Zusammenarbeit zwischen Deutschland und Schweden in der Raumfahrt
Deutschland und Schweden arbeiten in der Raumfahrt eng zusammen. Ein Beispiel ist hier die Deutsch-Schwedische Kooperation in den Studierendenprogrammen REXUS/BEXUS (Raketen-/Ballon-Experimente für Universitäts-Studenten), und TEXUS (Technologische Experimente unter Schwerelosigkeit), die von der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR gefördert und geleitet werden, sowie das DLR-MAPHEUS-Forschungsraketenprogramm mit material- und lebenswissenschaftlichen Experimenten. MAPHEUS (Materialphysikalische Experimente Unter Schwerelosigkeit) wird vom DLR-Institut für Materialphysik im Weltraum, dem DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin und der MORABA der DLR-Einrichtung Raumflug und Astronautentraining betrieben und dient als Entwicklungs- und Technologietransfer-Plattform für Forschung unter Weltraumbedingungen. Die Studierenden aus Deutschland und Schweden starten ihre eigenen Experimente auf Höhenforschungsraketen und -ballonen vom Esrange Space Center des schwedischen Raumfahrtunternehmens SSC, das über die Startinfrastruktur im nordschwedischen Kiruna verfügt. Die nächsten TEXUS-Starts sollen Ende Januar 2024 stattfinden, direkt im Anschluss daran der Start von MAPHEUS-14 im Februar 2024.

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• Axiom-3 auf Crew-Dragon zur ISS

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Quelle: DLR 8. Januar 2024.

8. Januar 2024 – Ein Strahlungsmessgerät des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) ist unterwegs Richtung Mond: Der Strahlungsdetektor M-42 befindet sich an Bord der kommerziellen Astrobotic Peregrine Mission One, die am 8. Januar 2024 mit dem Erstflug der United Launch Alliance (ULA) Vulcan VC2S-Rakete von Cape Canaveral (USA) gestartet ist. Geplant ist, dass der Peregrine Lander im Nordwesten des Mondes aufsetzt. M-42 wird von der Mondoberfläche aus Strahlungswerte zur Erde senden, aber auch schon auf seiner Reise zum Mond die Strahlungsdosis im freien Weltraum bestimmen.

Die Strahlenbelastung auf dem Mond ist rund 800 Mal höher als auf der Erde, wo das Magnetfeld und die Erdatmosphäre wie ein Schutzschild gegen die kosmische Strahlung wirken. Ein Langzeitaufenthalt auf dem Mond würde deswegen eine hohe Belastung für den menschlichen Körper bedeuten. Um weitere Informationen für künftige astronautische Mond-Missionen zu sammeln und entsprechende Schutzmaßnahmen entwickeln zu können, soll M-42 nun Werte aus der ungeschützten, freien Mondumgebung liefern. Der Strahlungsdetektor, der im DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin entwickelt wurde, ist etwa 20 Zentimeter lang und wiegt 250 Gramm. Er ist identisch mit 16 Strahlungsmessgeräten, die in die „Mond-Astronautinnen“ Helga und Zohar verbaut waren. Die beiden Messpuppen haben mit der NASA-Mission Artemis I bereits im November und Dezember 2022 den Mond umrundet. Die Ergebnisse von insgesamt tausenden passiven Detektoren, die sich in den beiden „Luna-Twins“ befanden, werden aktuell noch im DLR analysiert. Die Ergebnisse werden im Frühjahr 2024 vorliegen.

„Die Strahlungswerte, die wir durch die Peregrine Mission One erwarten, können unsere bisherigen Erkenntnisse ergänzen. Es gibt bislang nicht viele Messdaten zur galaktischen kosmischen Strahlung, die direkt von der Mondoberfläche stammen. Wir sind sehr stolz, Teil dieser Mission zu sein“, sagt Projektleiter Dr. Thomas Berger vom DLR-Institut für Luft- und Raumfahrtmedizin in Köln. Das DLR hat sich bereits vor zweieinhalb Jahren einen Platz auf dem Peregrine-Lander gesichert und neue Instrumente der M-42-Detektorfamilie sind derzeit in der Entwicklung.

M-42 ist auf einer Seitenklappe des Peregrine-Landers der Strahlung ausgesetzt
Die Peregrine Mission One ist die erste kommerzielle Mond-Mission des US-Raumfahrtunternehmens Astrobotic. Neben dem DLR schicken die amerikanische Luft- und Raumfahrtbehörde NASA, weitere Raumfahrtorganisationen und Unternehmen Nutzlasten Richtung Mond. Der von Astrobotic entwickelte Peregrine-Lander ist etwa 1,90 Meter hoch und hat einen Durchmesser von 2,50 Metern. Der M-42 Strahlungsdetektor ist auf einer Seitenklappe befestigt und knapp über der Oberfläche direkt der kosmischen Strahlung auf dem Mond ausgesetzt.

Ursprünglich sollte Peregrine den Lacus Mortis („See des Todes“) auf der Mondvorderseite ansteuern. Anfang 2023 hat die NASA angekündigt, dass der Lander nicht im Nordosten, sondern weiter westlich in der Nähe der Gruithuisen-Vulkankuppeln ankommen soll. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler erhoffen sich neue Erkenntnisse zu einem geologischen Rätsel in dieser Mondregion: Es wird vermutet, dass die Gruithuisen Vulkankuppeln – zwei Erhebungen am Rand des Oceanus Procellarum („Ozean der Stürme“) – durch ein zähes, kaum fließfähiges kieselsäurereiches Magma entstanden sind. In seiner Zusammensetzung ähnelt es wohl dem irdischen Granit oder dessen vulkanischem Pendent, dem Gestein Rhyolith. Auf der Erde benötigen solche Formationen einen hohen Wassergehalt und Plattentektonik, um sich zu bilden. Da beides auf dem Mond fehlt, fragen sich die Forschenden, wie die Kuppeln („Domes“) entstanden sind und sich über die Zeit verändert haben.

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• DLR

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Quelle: Universität Siegen 13. Dezember 2023.

13. Dezember 2023 – Um sieben Uhr morgens haben Dr. Eleonora Guido und Dr. Marcus Niechciol ihre Schicht beinahe geschafft. Draußen ist es noch dunkel, im Büro der beiden Physiker*innen auf dem Emmy-Noether-Campus der Uni Siegen sorgen dagegen zehn Monitore für viel künstliches Licht. Auf den in drei Reihen übereinander angeordneten Bildschirmen sind Tabellen, Diagramme und Zahlen zu sehen. Sie verraten Guido und Niechciol, ob in der etwa 12.000 Kilometer entfernten argentinischen Pampa „alles okay“ ist. Dort befindet sich das weltweit größte Experiment zur Messung kosmischer Strahlung: das Pierre-Auger-Observatorium, an dem seit rund 20 Jahren auch Siegener Physiker*innen beteiligt sind. Zusammen mit ca. 450 Kolleg*innen aus aller Welt spüren sie kosmische Teilchen auf, die permanent aus dem Weltall auf die Erdatmosphäre treffen. Ziel der gemeinsamen Forschung ist es, herauszufinden, welche kosmischen Prozesse oder Objekte diese teils extrem energiereichen Teilchen erzeugen. Mehr als 100 Jahre nach der Entdeckung der kosmischen Strahlung ist das immer noch unklar – es handelt sich um eines der größten Rätsel der modernen Physik.

Dass das Siegener Team unter der Leitung von Prof. Dr. Markus Cristinziani und Prof. Dr. Markus Risse den argentinischen Detektor nun von Siegen aus überwachen und steuern kann, ist neu: „Bisher mussten wir jedes Mal extra nach Argentinien reisen, um entsprechende Schichten übernehmen zu können“, erklärt Niechciol. Um sicherzustellen, dass die Datenerfassung in der argentinischen Pampa möglichst reibungslos funktioniert, muss die hochsensible Messtechnik des Experiments permanent überwacht werden. Dazu zählen neben 1.600 mit Detektoren ausgestatteten Wassertanks insbesondere auch vier große Teleskopstationen auf dem Gelände des Observatoriums: Sie können das sogenannte Fluoreszenz-Licht einfangen, das ausgesendet wird, wenn kosmische Teilchen auf die Erdatmosphäre treffen. Aus diesen Daten können die Wissenschaftler*innen indirekt Rückschlüsse über Herkunft und Natur der kosmischen Teilchen ziehen. Im Siegener Büro von Guido und Niechciol ist jedem der vier Teleskopstationen ein eigener Bildschirm zugeordnet.

„Seit Mitternacht überwachen wir die Teleskope und haben seitdem hoffentlich viele schöne Ereignisse der kosmischen Strahlung aufgezeichnet“, sagt Eleonora Guido, bevor sie sich an die Tastatur setzt: Der Mond über der argentinischen Pampa steht ungünstig – weil das helle Mondlicht die empfindlichen Messungen stören würde, muss die Physikerin die Teleskope nun per Fernsteuerung schließen. „Neben dem Verlauf des Mondes beobachten wir auch das Wetter sehr genau“, erklärt Niechciol. „Gibt es in der Region Gewitter, starke Winde oder heftigen Regen, müssen wir reagieren und die Teleskope schnellstmöglich dicht machen, damit die empfindlichen Sensoren nicht beschädigt werden.“ Hat sich das Wetter wieder beruhigt, muss ebenfalls zügig gehandelt werden: Dann gilt es, die Systeme wieder zu öffnen, damit die Datenerfassung weitergeht und möglichst wenige Daten verloren gehen.

Auch mit unvorhergesehenen Ereignissen müssen die Wissenschaftler*innen während der Schichten umgehen. Dann kann es auch schon mal stressig werden, berichtet das Team: „Vor dem Start unserer heutigen Schicht gab es in der Region des Observatoriums einen Stromausfall. Das hat dazu geführt, dass wir viele der dortigen Computer neu hochfahren mussten. Dadurch konnten wir erst etwas später anfangen, Daten aufzuzeichnen als eigentlich vorgesehen.“ Auch andere technische Störungen können auftreten. Den Siegenern wird das auf den Bildschirmen als rot markierte Meldung angezeigt. In manchen Fällen ertönt auch ein akustisches Alarmsignal. Dann gilt es herauszufinden, wo das Problem liegt – was oft gar nicht so einfach ist, sagt Niechciol: „Es gibt eine enorme Vielzahl möglicher Ursachen. Die kann man auch mit jahrelanger Erfahrung am Observatorium unmöglich alle kennen. Im Zweifel müssen wir einen Techniker in Argentinien aus dem Bett klingeln, der sich die Sache vor Ort anschaut.“

Neben den Teleskopen können die Siegener auch andere Bestandteile des Detektors aus der Ferne überwachen: Dazu zählen Laser, die regelmäßig aktiviert werden, um die atmosphärischen Beobachtungsbedingungen zu kontrollieren. Und Radioantennen, die an den Wassertanks installiert sind und Radiowellen registrieren, die durch die kosmische Strahlung ausgelöst werden. Turnusmäßig übernimmt das Team dazu im Wechsel mit den internationalen Kolleg*innen am Observatorium unterschiedliche Arten von Schichten, die jeweils über mehrere Nächte (oder im Fall der Radioantennen auch Tage) andauern. Auch Siegener Nachwuchswissenschaftler*innen können so an die praktische Arbeit am Experiment herangeführt werden und lernen, im Rahmen der Schichten Verantwortung zu übernehmen: Für die hochsensible und teure Messtechnik. Aber auch dafür, dass möglichst permanent qualitativ hochwertige Daten aufgezeichnet werden. Daten, auf die Wissenschaftler*innen weltweit angewiesen sind, um das Rätsel der kosmischen Strahlung eines Tages zu lösen.

Hintergrund:
Physiker*innen der Universität Siegen forschen seit 2004 am Pierre-Auger-Observatorium. Die Wissenschaftler*innen arbeiten dabei im Verbund mit vier weiteren deutschen Universitäten. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert die Forschung und hat der Universität Siegen im Sommer weitere knapp 600.000 Euro Fördermittel bis 2026 zur Verfügung gestellt. Siegener Physiker*innen sind sowohl an der Analyse der am Observatorium gewonnenen Daten, als auch an der Weiterentwicklung der Messtechnik direkt beteiligt. Seit Anfang Dezember 2023 können sie den argentinischen Detektor auch „remote“ von Siegen aus überwachen.

Ein ausführliches Interview mit Dr. Marcus Niechciol zur Forschung am argentinischen Pierre-Auger-Observatorium hören Sie in der aktuellen Folge unseres Wissenschaftspodcasts Spark!

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• Pierre Auger Observatory

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Quelle: AIP 12. Dezember 2023.

12. Dezember 2023 – Zu Beginn des letzten Jahrhunderts entdeckte Victor Hess ein neues Phänomen, die kosmische Strahlung, für das er Jahre später den Nobelpreis erhielt. Er führte Ballonflüge in großer Höhe durch und stellte fest, dass nicht die Radioaktivität vom Erdboden die Atmosphäre ionisiert, sondern der Ursprung der Ionisation außerhalb der Erde liegt. In den folgenden Jahren wurde festgestellt, dass kosmische „Strahlen“ aus geladenen Teilchen aus dem Weltall bestehen, die fast so schnell wie das Licht sind, und keine Strahlung darstellen. Der Name „kosmische Strahlung“ überdauerte diese Erkenntnisse jedoch.

In der vorliegenden Arbeit haben Dr. Mohamad Shalaby, Wissenschaftler am AIP und der Hauptautor dieser Studie, und seine Kolleginnen und Kollegen numerische Simulationen durchgeführt, um die Flugbahnen vieler Teilchen der kosmischen Strahlung zu verfolgen und zu untersuchen, wie diese mit dem sie umgebenden Plasma aus Elektronen und Protonen wechselwirken. Als die Forschenden kosmische Strahlen analysierten, die von einer Seite der Simulation zur anderen flogen, entdeckten sie ein neues Phänomen, das elektromagnetische Wellen im Hintergrundplasma anregt. Diese Wellen üben eine Kraft auf die kosmischen Strahlen aus, die ihre Flugbahnen verändert.

Dieses neue Phänomen lässt sich am einfachsten verstehen, wenn man die kosmischen Strahlen nicht als einzelne Teilchen betrachtet, sondern als elektromagnetische Welle, in welcher diese kosmischen Teilchen gemeinsam schwingen. Indem diese Welle mit den Eigenschwingungen im Hintergrund wechselwirkt, werden sie verstärkt und es findet ein Energieübertrag statt. „Diese Erkenntnis erlaubt es uns, die kosmische Strahlung in diesem Zusammenhang als Strahlung und nicht als einzelne Teilchen zu betrachten, so wie es ursprünglich von Victor Hess angenommen wurde“, bemerkt Professor Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP. Eine gute Analogie für das Verhalten sind einzelne Wassermoleküle, die gemeinsam eine Welle bilden, die sich am Ufer bricht. „Dieser Fortschritt kam nur durch die Berücksichtigung kleinerer Skalen zustande, die bisher übersehen wurden, und stellt die Verwendung effektiver hydrodynamischer Theorien bei der Untersuchung von Plasmaprozessen in Frage“, erklärt Dr. Mohamad Shalaby.

Für die neu entdeckte Plasmainstabilität gibt es viele Anwendungen, unter anderem eine erste Erklärung für die Beschleunigung von Elektronen aus dem thermischen interstellaren Plasma zu sehr hohen Energien an Supernovaüberresten. „Diese neu gefundene Plasmainstabilität stellt einen Quantensprung in unserem Verständnis des Beschleunigungsprozesses dar und erklärt endlich, warum Supernovaüberreste im Radio- und Gammastrahlenbereich leuchten“, berichtet Mohamad Shalaby. Darüber hinaus öffnet diese bahnbrechende Entdeckung die Tür zu einem besseren Verständnis der grundlegenden Prozesse des Transports der kosmischen Strahlung in Galaxien, der bisher das größte Mysterium in unserem Verständnis der Entwicklung von Galaxien darstellt.

Über das AIP
Das Leibniz-Institut für Astrophysik Potsdam (AIP) widmet sich astrophysikalischen Fragen, die von der Untersuchung unserer Sonne bis zur Entwicklung des Kosmos reichen. Forschungsschwerpunkte sind dabei kosmische Magnetfelder und extragalaktische Astrophysik sowie die Entwicklung von Forschungstechnologien in den Bereichen Spektroskopie, robotische Teleskope und E-Science. Seinen Forschungsauftrag führt das AIP im Rahmen zahlreicher nationaler, europäischer und internationaler Kooperationen aus. Das Institut ist Nachfolger der 1700 gegründeten Berliner Sternwarte und des 1874 gegründeten Astrophysikalischen Observatoriums Potsdam, das sich als erstes Institut weltweit ausdrücklich der Astrophysik widmete. Seit 1992 ist das AIP Mitglied der Leibniz-Gemeinschaft.

Wissenschaftliche Publikationen

• Deciphering the physical basis of the intermediate-scale instability
  M. Shalaby, T. Thomas, C. Pfrommer, R. Lemmerz, V. Bresci, 2023, JPP Letters, arXiv:2305.18050, DOI:10.1017/S0022377823001289
• The mechanism of efficient electron acceleration at parallel non-relativistic shocks
  M. Shalaby, R. Lemmerz, T. Thomas, C. Pfrommer, 2022, ApJ, 932, 86, arXiv:2202.05288
• A new cosmic ray-driven instability
  M. Shalaby, T. Thomas, C. Pfrommer, 2021, ApJ, 908, 206, arXiv:2010.11197

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• Kosmische Strahlung

Der Beitrag Plasmainstabilität gibt Aufschluss über Ursprung der kosmischen Strahlung erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: AIP 22. November 2023.

22. November 2023 – Die preisgekrönte Dissertation mit dem Titel „Simulating Galaxy Evolution with Cosmic Rays: The Multi-Frequency View“ befasst sich mit der Rolle der kosmischen Strahlung bei der Entstehung des interstellaren Mediums von Galaxien, die auf deren Entwicklung und ihre Sternbildungseffizienz Auswirkungen hat. Da es nicht möglich ist, die kosmische Strahlung in fernen Galaxien direkt zu messen, können Forschende ihre Eigenschaften nur indirekt einschränken. Maria Werhahn entwickelte daher numerische Methoden, um die Spektren der kosmischen Strahlung in Galaxien und die damit verbundenen Emissionsprozesse zu modellieren, die von Radiowellenlängen bis hin zu hochenergetischer Gammastrahlung reichen.

„Durch hochauflösende magnetohydrodynamische Simulationen von Galaxien habe ich diese Ergebnisse mit Beobachtungen verglichen. So konnte ich die beobachtete kosmische Strahlung und die Emissionsspektren sowie die Beziehungen zwischen Radio- und Gammastrahlenleuchtkraft und der Emission im fernen Infrarot erfolgreich reproduzieren, was Einblicke in die Transporteigenschaften der kosmischen Strahlung ermöglicht“, erklärt Maria Werhahn. „Ich freue mich sehr und fühle mich geehrt, mit diesem Preis ausgezeichnet zu werden. Ein großer Dank gilt auch meinem Betreuer der Doktorarbeit, Christoph Pfrommer, sowie den Kolleginnen und Kollegen am AIP, ohne die diese Arbeit nicht möglich gewesen wäre.“

„Es ist sehr bemerkenswert, dass es Dr. Werhahn gelungen ist, ein einheitliches Modell zu entwickeln, das gleichermaßen lokale Beobachtungen der kosmischen Strahlung mit der Radio- und Gammastrahlung von entfernten Galaxien in Einklang bringt, und es uns ermöglicht, die Physik der Galaxienentstehung besser zu verstehen” würdigt Prof. Dr. Christoph Pfrommer, Leiter der Abteilung Kosmologie und Hochenergie-Astrophysik am AIP, die Arbeit.

Der Carl-Ramsauer-Preis 2023 wird im Rahmen eines Festkolloquiums verliehen. Dabei stellen die vier Preisträgerinnen und Preisträger ihre ausgezeichneten Arbeiten vor. Die Preisverleihung findet am Mittwoch, den 22. November 2023, um 17:15 Uhr an der Technischen Universität Berlin, Eugene-Paul-Wigner-Gebäude, Hörsaal EW201, Hardenbergstr. 36, 10623 Berlin, statt.

Die Physikalische Gesellschaft zu Berlin vergibt den Carl-Ramsauer-Preis zu Ehren des Experimentalphysikers Carl Ramsauer (1879-1955). Seit 2002 werden jährlich jeweils vier hervorragende Doktorarbeiten in Physik und angrenzender Gebiete an der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin und der Universität Potsdam ausgezeichnet, seit 2022 auch an der Brandenburgisch Technischen Universität Cottbus-Senftenberg. Der Carl-Ramsauer-Preis wird seit 2015 von der Firma SPECS GmbH gefördert.

Dissertation „Simulating Galaxy Evolution with Cosmic Rays: The Multi-Frequency View“
doi.org/10.25932/publishup-57285
pdf: https://publishup.uni-potsdam.de/opus4-ubp/frontdoor/deliver/index/docId/57285/file/werhahn_diss.pdf

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• Ehrungen

Der Beitrag Carl-Ramsauer-Preis für Maria Werhahn erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: DESY 5. Oktober 2023.

5. Oktober 2023 – Mit dem H.E.S.S.-Observatorium in Namibia hat ein internationales Forschungsteam die bislang energiereichsten Gammastrahlen von einem Pulsar entdeckt, einem ausgebrannten, toten Stern. Die registrierte Strahlung hat rund zehn Billionen Mal so viel Energie wie sichtbares Licht. Die Beobachtung lässt sich nur schwer mit der gängigen Theorie zur Erzeugung solcher gepulsten Gammastrahlung vereinbaren, wie das internationale Team in der Zeitschrift „Nature Astronomy“ berichtet.

Pulsare sind die übrig gebliebenen Reste von Sternen, die spektakulär in einer Supernova explodiert sind. Die Explosion hinterlässt einen winzigen, toten Stern mit einem Durchmesser von nur etwa 20 Kilometern, der extrem schnell rotiert und mit einem enormen Magnetfeld ausgestattet ist. „Diese toten Sterne bestehen fast ausschließlich aus Neutronen und sind unglaublich dicht: Ein Teelöffel ihres Materials wiegt mehr als fünf Milliarden Tonnen, was etwa dem 900-fachen Gewicht der Großen Pyramide von Gizeh entspricht“, erklärt H.E.S.S.-Wissenschaftlerin Emma de Oña Wilhelmi von DESY, Mitautorin der Veröffentlichung.

Wie eine Art kosmische Leuchttürme senden Pulsare kreisende Strahlen ins All. Wenn ihr Strahl über unser Sonnensystem hinwegfegt, sehen wir in regelmäßigen Abständen Strahlungsblitze. Diese Blitze lassen sich bei zahlreichen Wellenlängen des elektromagnetischen Spektrums beobachten, von den Radiowellen bis zur Gammastrahlung. Nach der gängigen Theorie stammt die Strahlung von schnellen Elektronen, die von den starken Magnetfeldern des Pulsars beschleunigt und abgelenkt werden. Die Elektronen bewegen sich dabei von der Oberfläche des Pulsars nach außen bis zum Rand seiner Magnetosphäre. „Auf ihrer Reise nach außen nehmen die Elektronen Energie auf und setzen sie in Form der beobachteten Strahlung frei“, sagt Ko-Autor Bronek Rudak vom Astronomischen Zentrum Nikolaus Kopernikus (CAMK PAN) in Polen. Der Bereich, in dem dies geschieht, wird Lichtzylinder genannt.

Der Vela-Pulsar befindet sich am Südhimmel im Sternbild Vela (Segel des Schiffes). Er ist der hellste Pulsar im Radioband des elektromagnetischen Spektrums und die hellste anhaltende Quelle kosmischer Gammastrahlung im Giga-Elektronenvolt-Bereich. Er rotiert etwa elfmal pro Sekunde. Oberhalb einiger Giga-Elektronenvolt (GeV) endet seine Strahlung jedoch abrupt, vermutlich weil die Elektronen das Ende der Magnetosphäre des Pulsars erreichen und aus ihr entweichen.

Doch wie sich nun herausstellte, ist das noch nicht alles: H.E.S.S. hat eine neue Komponente der Strahlung bei noch höheren Energien registriert. Diese kosmischen Gammaquanten besaßen eine Energie von bis zu 20 Tera-Elektronenvolt (TeV). „Das ist etwa 200 Mal energiereicher als sämtliche Strahlung, die bisher von diesem Objekt gemessen wurde“, sagt Ko-Autor Christo Venter von der North-West University in Südafrika. Diese neu entdeckte Komponente tritt synchron zur Strahlung im GeV-Bereich auf. Um diese enormen Energien zu erreichen, müssten die Elektronen jedoch stärker beschleunigt werden als dies eigentlich in der Magnetosphäre möglich ist. Und dabei muss der Rhythmus der Emission intakt bleiben.

„Dieses Ergebnis stellt unser bisheriges Wissen über Pulsare in Frage und erfordert ein Überdenken der Theorie von der Funktionsweise dieser natürlichen Beschleuniger“, sagt Arache Djannati-Atai vom Astroteilchen- und Kosmologie-Labor APC in Frankreich, der die Forschung geleitet hat. „Das traditionelle Schema, wonach die Teilchen entlang der Magnetfeldlinien innerhalb oder leicht außerhalb der Magnetosphäre beschleunigt werden, kann unsere Beobachtungen nicht ausreichend erklären. Vielleicht sind wir Zeugen der Beschleunigung von Teilchen durch die sogenannte magnetische Rekonnexion jenseits des Lichtzylinders, bei dem das Rotationsmuster noch irgendwie erhalten bleibt? Aber selbst dieses Szenario tut sich schwer mit der Erzeugung solch extrem energiereicher Strahlung.“ Die Theoretikerinnen und Theoretiker müssen daher neue Modelle entwickeln.

Wie auch immer die Erzeugung der Strahlung abläuft, hält der Vela-Pulsar neben anderen Superlativen nun offiziell den Rekord als Pulsar mit der energiereichsten Gammastrahlung, die bislang von einem solchen Objekt entdeckt worden ist. „Diese Entdeckung öffnet ein neues Beobachtungsfenster für die Entdeckung anderer Pulsare im Bereich von einigen Dutzend Tera-Elektronenvolt mit aktuellen und zukünftigen empfindlicheren Gammateleskopen und ebnet damit den Weg für ein besseres Verständnis der extremen Beschleunigungsprozesse in stark magnetisierten astrophysikalischen Objekten“, sagt Djannati-Atai.

Über H.E.S.S.
Das High Energy Stereoscopy System (H.E.S.S.) ist eine Anordnung von fünf abbildenden atmosphärischen Cherenkov-Teleskopen zur Untersuchung kosmischer Gammastrahlen. Das Observatorium wird im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit betrieben. Die Teleskope befinden sich in Namibia, in der Nähe des Gamsbergs, in einer Region, die für ihre hervorragenden optischen Eigenschaften bekannt ist. Vier H.E.S.S.-Teleskope wurden 2002/2003 in Betrieb genommen, das wesentlich größere fünfte Teleskop mit der Bezeichnung H.E.S.S. II ist seit Juli 2012 in Betrieb und erweitert die Energieabdeckung in Richtung niedrigerer Energien und verbessert die Empfindlichkeit weiter. Mehr als 230 Forschende aus 41 Instituten in 15 verschiedenen Ländern sind an H.E.S.S. beteiligt.

Über DESY
Das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY zählt mit seinen Standorten in Hamburg und Zeuthen zu den weltweit führenden Zentren in der Forschung an und mit Teilchenbeschleunigern. Die Mission des Forschungszentrums ist die Entschlüsselung von Struktur und Funktion der Materie, als Basis zur Lösung der großen Fragen und drängenden Herausforderungen von Wissenschaft, Gesellschaft und Wirtschaft. Dafür entwickelt, baut und betreibt DESY modernste Beschleuniger- und Experimentieranlagen für die Forschung mit hochbrillantem Röntgenlicht und unterhält internationale Kooperationen in der Teilchen- und Astroteilchenphysik und in der Forschung mit Photonen. DESY ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands, und wird zu 90 Prozent vom Bundesministerium für Bildung und Forschung und zu 10 Prozent von den Ländern Hamburg und Brandenburg finanziert.

Originalveröffentlichung
Discovery of a Radiation Component from the Vela Pulsar Reaching 20 Teraelectronvolts; The H.E.S.S. collaboration; „Nature Astronomy“, 2023; DOI: 10.1038/s41550-023-02052-3, https://www.nature.com/articles/s41550-023-02052-3.

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Quelle: ESA 11. September 2023.

11. September 2023 – Die multizellulären Biofilme, die in Kombucha vorkommen, haben sich als vielversprechend erwiesen. Insbesondere wenn es um das Überleben in rauen Umgebungen auf der Erde geht. Daher haben Wissenschaftler*innen das Potenzial der Mikroorganismen untersucht, die extremen Bedingungen im Weltraum zu überstehen. Sie werden sogar als Biofabriken in Betracht gezogen, um selbstversorgende Lebenserhaltungssysteme für zukünftige Weltraumsiedlungen zu entwickeln.

Kombucha im All
In der Expose-Einrichtung der ESA wurden Experimente auf der Internationalen Raumstation durchgeführt, um herauszufinden, ob und wie Bakterien im Weltraum und unter simulierten Bedingungen auf dem Mars überleben können.

Die Proben wurden an der Außenseite der Raumstation platziert. Die Ergebnisse zeigten, dass der Mikroorganismus, ein Cyanobakterium, in der Lage war seine DNA zu reparieren und die Zellteilung fortzusetzen, nachdem er kosmischer Strahlung ausgesetzt war. Er widerstand sogar den zerstörerischen Eisenionen, die erhebliche Zellschäden verursachen.

Bei vielen Lebewesen regenerieren sich Gewebe wie die menschliche Haut oder bakterielle Biofilme, indem sie sich durch Zellteilungen ständig vermehren. Die Art und Weise, wie diese Zellen ihre Teilung stoppen, bis sie ihre DNA-Schäden behoben haben, ist nach wie vor ein Geheimnis. Forscher*innen vermuten, dass ein bestimmtes Gen – das sulA-Gen – hierbei ausschlaggebend sein könnte. Das sulA-Gen fungiert wie ein Verkehrssignal für Zellen. Es hält die Zellteilung an, bis die Zellen ihre DNA repariert haben, ähnlich wie eine rote Ampel Autos zum Anhalten auffordert. Dies ist ein wesentlicher Bestandteil des Sicherheitssystems einer Zelle. Dieser stellt sicher, dass mögliche Schäden behoben werden, bevor sich die Zellen weiter vermehren.

Ein weiteres Experiment zeigte, dass Zellcluster einen Mikrolebensraum für kleinere Spezies bieten. Das bedeutet, dass einige Zellen innerhalb größerer Zellgruppen, die diese kosmischen Reisenden schützen, im Weltraum mitreisen könnten.

Der Planetenschutz umfasst eine Reihe von Maßnahmen, die verhindern sollen, dass schädliche biologische und chemische Kontaminationen von der Erde auf andere Planeten, Monde oder Himmelskörper gelangen und umgekehrt. Durch Experimente wie diese können wir verstehen, wie Zellzusammenschlüsse und Biofilme sich vor den extremen Bedingungen im Weltraum schützen, um eine Kontamination zu verhindern und so die Reinheit von Weltraummissionen zu wahren. Darüber hinaus könnten sie auch dazu verwendet werden Organismen auf längeren Reisen durch den Weltraum abzuschirmen.

Mikroben können zudem ein wertvolles „Strahlungsmodell“ darstellen. Wenn Forscher*innen verstehen, wie diese Mikroorganismen auf Strahlung reagieren, können sie Erkenntnisse gewinnen, die zum Verständnis und zur Verbesserung der menschlichen Gesundheit und des Wohlbefindens beitragen. Dazu gehört auch die Entwicklung von Strahlenschutzstrategien für Astronaut*innen im Weltraum.

Auf zum Mond und ab zum Mars
Zukünftige Artemis-Missionen zum Lunar Gateway könnten die Kultivierung von Mikroorganismen auf dem Mond beinhalten.

Petra Rettberg, Leiterin der Astrobiologie-Gruppe des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) betont: „Die Kulturen zeigen ein großes Potenzial, um die langfristige menschliche Präsenz auf dem Mond und dem Mars zu unterstützen.“

„Dank ihrer Fähigkeit, Sauerstoff zu produzieren und als Biofabriken zu fungieren, könnte diese Biotechnologie künftige Weltraummissionen und die Erforschung des Weltraums durch den Menschen erheblich verbessern“, fügt Nicol Caplin, ESA-Wissenschaftlerin für Weltraumforschung, hinzu.

„Ich hoffe, dass unsere Proben in Zukunft am Lunar Gateway angebracht werden oder sogar auf der Oberfläche des Mondes und darüber hinaus eingesetzt werden können. Bis es soweit ist, werden wir weiterhin die Möglichkeiten unserer Biokulturen erforschen.”

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Quelle: INT 5. Juli 2023.

5. Juli 2023 – Der am Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT entwickelte On-board Radiation Sensor (FORS) kommt auf dem Heinrich-Hertz-Satelliten, der am 5. Juli ins All startet, erstmalig zum Einsatz. Die Sensoren messen intensive Strahlenereignisse im Orbit, um die strahlungsempfindlichen Bauteile des Satelliten je nach Strahlungsniveau zu schützen. Die Messungen sollen außerdem dazu beitragen, ein besseres Verständnis für die Strahlungsumgebung der Satellitentechnik unter realen Bedingungen zu bekommen.

Die Heinrich-Hertz-Mission verfolgt mehrere Ziele. Eines davon ist es, neue Technologien für die Satellitenkommunikation im Weltraum zu testen. Satelliten sind im Weltraum zahlreichen Herausforderungen ausgesetzt, darunter extreme Temperaturen, aber auch Strahlung. Diese Bedingungen führen im schlimmsten Fall zum Ausfall der Technik. Um dieses Risiko zu minimieren, durchläuft der Satellit mit dieser Mission die sogenannte In-Orbit-Verifikation, um so das Ausfallrisiko für zukünftige Missionen zu minimieren.

Der Fraunhofer On-board Radiation Sensor misst die Dosis bzw. die Teilchenflüsse auf Trägern für elektronische Bauteile, den sogenannten Leiterplatten. Auf diesen befinden sich in unmittelbarer Nähe die zu schützenden strahlungsempfindlichen Bauteile. Bei intensiven solaren Strahlungsereignissen im Orbit kann ein plötzlicher Anstieg der Teilchenflüsse erheblichen Schaden verursachen. Die Messungen geben Hinweise darauf, wann adaptive Techniken zur Minimierung der Strahlungswirkung eingesetzt werden müssen, um elektronische Bauteile des Satelliten zu schützen. Erkenntnisse aus dieser Mission sind für Satellitenhersteller oder -betreiber von enormer Wichtigkeit.

Für den Heinrich-Hertz-Satelliten hat das Fraunhofer INT außerdem auch schon im Vorfeld Strahlungssimulationen an elektronischen und optischen Komponenten mit seinen Co-60-Gammabestrahlungsanlagen durchgeführt.

Die Sensoren des Fraunhofer INT befinden sich in der Box des Fraunhofer On-Board-Prozessors (FOBP). Dieser wurde am Fraunhofer-Institut für Integrierte Schaltungen IIS entwickelt und kommt ebenfalls zum ersten Mal im Rahmen dieser Mission zum Einsatz. Herkömmliche Kommunikationssatelliten waren bisher darauf beschränkt, Daten zu empfangen und weiterzuleiten. Der Fraunhofer On-Board-Prozessor (FOBP) hingegen filtert und verarbeitet die empfangenen Informationen bereits an Bord des Satelliten. Er kann von der Erde aus neu konfiguriert und somit jederzeit an neue Kommunikationsstandards angepasst werden. Damit dient er ebenfalls als Testumgebung für neue Satellitenkommunikationssysteme.

Die Heinrich-Hertz-Mission wird von der Deutschen Raumfahrtagentur im Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) in Bonn geführt. Das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz und das Bundesministerium der Verteidigung sind die Auftraggeber des Kommunikationssatelliten. Das Ziel der Mission besteht darin, neue Technologien im Weltraum unter realen Bedingungen zu testen und Experimente zur Kommunikations-, Antennen- und Satellitentechnik durchzuführen.

Der Satellit, der ein Gewicht von knapp 3,5 Tonnen hat, startet in der Nacht vom 5. auf den 6. Juli, zwischen 00.00 Uhr und 01.05 Uhr deutscher Zeit an Bord der letzten Ariane-5-Rakete vom europäischen Weltraumbahnhof Kourou in Französisch-Guayana. Nach dem Erreichen des Orbits wird der Satellit 15 Jahre lang auf einer geostationären Umlaufbahn in einer Höhe von 36.000 Kilometern kreisen.

Das Fraunhofer INT beschäftigt sich mit der Wirkung ionisierender Strahlung auf elektronische, optoelektronische und optische Komponenten und Systeme. In diesem Kontext führt das Geschäftsfeld »Nukleare Effekte in Elektronik und Optik« Bestrahlungstests nach anerkannten Standards durch und berät Unternehmen bei der Strahlungsqualifizierung und -härtung, insbesondere von Raumfahrtkomponenten. Die durch Bestrahlungstests gewonnenen Erkenntnisse werden auch zur Entwicklung von Strahlungssensoren verwendet.

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• Syracuse-4B und Heinrich Hertz auf Ariane 5 ECA+ von Kourou

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